1.概述2.堿金屬和堿土金屬在體內的分布與功能3.生物膜4.離子通過膜的運送5.天然離子載體6.合成離子載體7.鈣結合蛋白第一頁，共四十七頁。1第一節(jié)概述堿土金屬元素就是元素周期表中第ⅡA族的元素，包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種元素，它們都是非常活潑的金屬，活潑性從上到下遞增。其中鐳(Ra)是放射性元素。

堿金屬元素就是元素周期表中第ⅠA族（除氫外）的元素，包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)六種元素。這一族是元素周期表中金屬性最強的一族，活潑性從上到下遞增。其中鈁(Fr)是放射性元素。第二頁，共四十七頁。2IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa原子半徑減小金屬性、還原性減弱電離能、電負性增大原子半徑增大金屬性、還原性增強電離能、電負性減小第三頁，共四十七頁。3圖片Gc2-704-18.8Gc2-711-18.14LiNaKLiNaKRbCsBeMgCaSrBa第四頁，共四十七頁。4均以礦物形式存在:鈉長石:鉀長石:光鹵石:明礬石:鋰輝石:綠柱石:菱鎂礦:石膏:螢石天青石:重晶石:大理石:元素在自然界中的存在第五頁，共四十七頁。5堿金屬和堿土金屬約占人體質量的2％。微量元素只占0.01％。Na、K、Ca、Mg是生物體必須元素，含量較高，屬常量元素，它們在體內起重要作用。第二節(jié)堿金屬和堿土金屬在體內的分布與功能第六頁，共四十七頁。6鈉主要存在于高等動物中。對于植物，鈉并非必需元素。人體內的鈉大部分在細胞外液中，還有1/3的鈉分布在骨骼中。鉀主要存在于細胞內液，也存在于細胞外液中。人體的鈉和鉀離子主要作用是控制細胞、組織液和血液內的電荷平衡，這對保持體液的正常流通和控制體內酸堿平衡都是必要的。鈉還起著維持體液滲透壓的作用；鉀可作為某些酶的輔基。K+和Na+還對神經(jīng)信息傳遞起重要作用。第七頁，共四十七頁。7Mg2+：人體中70%Mg2+存在于骨骼，其余主要分散在軟組織中，在植物葉綠素中還有存在，做中心原子。Ca2+：是人體含量最高的無機元素，主要存在于骨骼中，少量存在于體液。植物、藻類及細菌中也存在少量鈣。鈣和鎂在細胞的新陳代謝中起重要作用。這兩種金屬離子在脂蛋白中橋聯(lián)鄰近的羧酸根而使細胞膜強化。第八頁，共四十七頁。8鈣是骨骼的重要成分，還可作為消化酶的輔助因子，對神經(jīng)傳導、肌肉收縮、激素釋放、血液凝結起調節(jié)控制作用。鎂是很多種酶的輔助因子，與細胞內核甘酸形成配合物，鎂對DNA的復制及蛋白質的合成是必不可少的，體內能量轉換需Mg2+。Mg2+的另一作用是作為葉綠素的中心離子參加光合作用。第九頁，共四十七頁。9第三節(jié)生物膜

(一)生物膜的化學組織

各種細胞膜和細胞內膜在電鏡下均呈“兩暗夾一明”的三層式結構,把這種結構稱為單位膜。第十頁，共四十七頁。10

生物膜是細胞的主要組成部分，具有獨特的結構和功能。已知真核細胞除了有包圍整個細胞的質膜外，還有構成各種細胞器的膜，如線粒體膜、內質網(wǎng)膜、溶酶體膜、高爾基體膜、核膜等膜。真核細胞的膜占整個細胞干重的70-80%。第十一頁，共四十七頁。11細胞膜對細胞內環(huán)境的穩(wěn)定、物質代謝、能量轉換、信息傳遞等許多方面都起著極為重要的作用。生物膜由脂質、蛋白質和糖組成。第十二頁，共四十七頁。12（1）脂質（Lipid）

?脂質是構成生物膜最基本的結構

物質

?脂質包括磷脂、膽固醇和糖脂

等，其中以磷脂為主要成分。

第十三頁，共四十七頁。13第十四頁，共四十七頁。14第十五頁，共四十七頁。15第十六頁，共四十七頁。16第十七頁，共四十七頁。17（2）膜蛋白

膜蛋白可分為兩類，即外周蛋白和固有蛋白。外周蛋白松她的結合在膜的表面，改變溶液離子強度或pH值,加入螯合劑等溫和方法就能使外周蛋白與膜分離。如線粒體膜的細胞色素c，紅血球膜的纖維狀蛋白都屬這一類。第十八頁，共四十七頁。18固有蛋白與膜脂的疏水部分結合緊密，有些插入膜中。有些穿膜兩面，有些埋在膜內。通常要用去垢劑、有機溶劑、酶等比較劇烈的處理方法破壞膜結構才能把固有蛋白抽提出來。第十九頁，共四十七頁。19第二十頁，共四十七頁。20

其他成分

生物膜還含有少量水和無機鹽，膜上水約20％呈結合狀態(tài)，其余為游離水。膜上的金屬離子和膜蛋白與膜結合有關。鈣離子對調節(jié)膜的功能有重要作用。

第二十一頁，共四十七頁。21結構模型要點

脂質排列成厚度約為4.5nm的雙分子層構成基質。在一般溫度下呈液晶相，有流動性、柔韌性、高電阻、離子與高極性分子通透性。脂質分子含疏水基團和親水基團，兩層分子疏水基團互相吸引集中酯質雙層之間，使細胞膜處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，親水基團分布于細胞的內外表面，質膜的兩個內外面都呈親水性。膜蛋白可在脂雙層中自由側向擴散，但通常不能從一例翻到另一則，有些有傳遞信息功能。第二十二頁，共四十七頁。22第四節(jié)離子通過膜的運送物質在生物體內有兩種運送方式。一種是隨體液流動，另一種是通過生物膜的運送，后者又稱為跨膜運送。生物膜是細胞和各種細胞器的屏障。它可以選擇性的允許一些分子通過。通過生物膜除了可以攝取和濃縮必需的物質外，還要排出無用或多余的物質。生物膜還可以保持膜內外某些離子的濃度梯度，保證生物信息的有效傳遞。生物膜的運送體系可以識別它運送的物質并控制通過的數(shù)量。第二十三頁，共四十七頁。23一.離子跨膜運送的方式生物膜運送離子的方式大致可分為兩類：被動運送和主動運送。1.被動運送：離子沿化學勢的方向進行運送，即離子從濃度大運送到小的一側。這個過程不消耗能量。被動運送又分為簡單擴散和促進運送。第二十四頁，共四十七頁。24簡單擴散：離子依賴濃度梯度和電位梯度通過生物膜，它遵循運送速度與濃度梯度成正比的擴散定律。金屬離子的簡單擴散困難，因它們難以通過膜的疏水內層。第二十五頁，共四十七頁。25促進運送：是離子在某些物質幫助下通過生物膜，它不服從擴散定律。離子借助的物質有三類：①能在膜內活動，并參與離子可逆結合的小分子，它能有選擇性地與離子形成可通過生物膜的脂溶性的配合物，給陽離子提供“有機外衣”。②另一類是結合在膜上的運送載體，它們不能穿過膜運動，只在膜上形成貫穿膜兩側的離子通道，允許特定離子或水合離子通過。③某些能與特定離子結合的蛋白質。第二十六頁，共四十七頁。262.主動運送：主動運送是離子逆濃度梯度和電化學梯度通過生物膜的運動，這個過程需要能量。主動運送也需要離子載體或蛋白質的幫助。執(zhí)行主動運送的機制常被稱為離子泵，它能維持膜內、外離子成分和濃度的穩(wěn)定。如細胞外液Na+

濃度高于內液，而K+則相反；離子泵仍不斷將細胞內Na+排出，細胞外K+運入細胞內，以保持細胞內的低Na+高K+環(huán)境。第二十七頁，共四十七頁。27胞飲胞吐：許多細胞還能通過胞飲或胞吐作用跨膜運送物質。胞飲：被運送物與膜的某種蛋白質結合，膜內陷并包圍被運物，然后膜斷開口，被運送物進入細胞內。胞吐：細胞內運送物被一層膜包圍形成小泡，小泡與膜融合而產(chǎn)生向外通道，泡內物質排出細胞外，稱胞吐作用。胞飲和胞吐屬主動運送的形式，需消耗能量。第二十八頁，共四十七頁。28二.鈉泵大多數(shù)動物細胞內液K+濃度高，而Na+濃度則相反。維持這種離子濃度梯度（內K+高，Na+低）是由膜上的專一運送系統(tǒng)—-鈉泵來實現(xiàn)的，即鈉泵逆濃度梯度向細胞外運送Na+，向細胞內運送K+。細胞膜兩側（內、外）Na+濃度梯度（內低、外高）既是神經(jīng)和肌肉膜可興奮性的基礎，又是某些組織中的氨基酸和葡萄糖等物質傳送的基礎。Na+泵的速率取決于細胞內Na+濃度，Na+濃度大，速率高。鈉泵所需能量由ATP水解提供。

第二十九頁，共四十七頁。29三.鈣泵

Ca2+

對調節(jié)肌肉收縮有重要作用，它是神經(jīng)興奮與肌肉收縮的媒介。肌肉細胞里含有大量肌原纖維，肌原纖維由肌漿包圍著。肌細胞還含有高度分化的內質網(wǎng)，稱為肌漿網(wǎng)系，它是膜包圍的管泡狀結構網(wǎng)，對調節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。肌細胞{肌原纖維（由肌漿包圍著）肌漿網(wǎng)系，對調節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。（內質網(wǎng)）第三十頁，共四十七頁。30當運動神經(jīng)處于休止狀態(tài)時，肌漿里的Ca2+

吸收能量并通過膜被運送到肌漿網(wǎng)系，因此肌漿里的Ca2+濃度很低。當運動神經(jīng)沖動，導致肌漿網(wǎng)系膜興奮，通透性增加，使Ca2+離子迅速從肌漿網(wǎng)大量放出進入肌漿，引起肌肉收縮。故Ca2+離子是神經(jīng)興奮與肌肉收縮之間的媒介。運動神經(jīng)處于休止狀態(tài)Ca2+

Ca2+

運動狀態(tài)

運動休止

（肌漿里）運動、神經(jīng)沖動（肌漿網(wǎng)系）肌肉收縮第三十一頁，共四十七頁。31四.鈉鈣交換許多細胞的生理活動要求Ca2+離子濃度比較低，鈉—鈣交換系能利用Na+在質膜兩邊的濃度梯度運入Na+并排出Ca2+。一般在神經(jīng)、肌肉和腸道中都發(fā)生這種作用。胞飲作用會形成含Na+和Ca2+的囊泡而完成Na+向內輸送，Ca2+向外排出，從而實現(xiàn)Na—Ca交換。第三十二頁，共四十七頁。32

第五節(jié)天然離子載體

離子的跨膜運送需載體—離子載體。一些微生物產(chǎn)生的抗菌素可作為跨膜運送離子的載體。目前已知的天然離子載體都是抗菌素。按跨膜運送離子的方式分為：活動載體和通道載體。從載體的化學結構來看有環(huán)狀和鏈狀之分。

第三十三頁，共四十七頁。33一.環(huán)狀離子載體——抗菌素天然環(huán)狀離子載體包括纈氨霉素、恩鐮孢菌素、大四內酯等抗菌素。它們都是不帶電荷的電中性物質。這些環(huán)狀載體有很多氧原子，可與堿金屬配位，形成配合物后，可方便地通過膜。（通過膜到膜內或由膜內（如細胞內）出來。）第三十四頁，共四十七頁。34二.鏈狀離子載體——羧基離子載體如P177，鏈狀也屬抗菌素。分子由一系列雜環(huán)組成，分子鏈上有多個能與金屬離子配位的含氧基團，鏈一端為醇羥基，另一端為羧基，因此也稱羧基離子載體。羧基氧和羥基氧及羰基氧與金屬離子配位，氫鍵使鏈成環(huán)，將金屬離子包圍起來。疏水基團在配合物的外邊，整個分子是脂溶性的。鏈狀離子載體可載離子（形成配合物）通過膜，向內或由內向外運送金屬離子。第三十五頁，共四十七頁。35三.通道載體能夠在膜上形成離子通道的天然載體有兩類：大環(huán)多羥基多烯內酯類抗菌素和多肽類抗菌素。大環(huán)多羥基多烯內酯類抗菌素——如制霉菌素，是一類親水和親油化合物（極與非極性基團）。它可形成親水性通道，使金屬離子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通過。多肽類抗菌素——如短桿菌肽A能使膜上形成通道，允許一價陽離子通過，多價陽離子及陰離子不能通過。第三十六頁，共四十七頁。36第六節(jié)合成離子載體

能夠模擬天然離子載體結構和功能的合成離子載體有兩類：大環(huán)配體和鏈狀多齒配體。大環(huán)配體：包括冠醚和穴醚等可和金屬離子配位的環(huán)狀化合物。鏈狀多齒配體：最簡單的合成物是寡聚甘醇二甲醚，它實際上是開鏈的冠醚，如圖9-31（a）（b）。它們能與一、二價金屬離子形成穩(wěn)定配合物以通過膜，作跨膜運送金屬離子。第三十七頁，共四十七頁。37第七節(jié)鈣結合蛋白許多生理過程都與Ca2+離子有關。如激素分泌、DNA合成、細胞分裂、肌肉收縮等。對于Ca2+的作用，直到70年代發(fā)現(xiàn)鈣結合蛋白、特別是鈣調蛋白(calmodulin,CaM)之后，這個問題（作用）才有了答案?，F(xiàn)已知鈣調蛋白作為細胞內Ca2+的受體蛋白，其分子內有幾個結合Ca2+的位點，這些結合點中任何一個與Ca2+結合之后，均可能發(fā)生構象變化，從而參與協(xié)調細胞各種依賴Ca2+的生理過程。第三十八頁，共四十七頁。38Ca2+離子在生理過程中發(fā)揮重要作用顯然與其特性有關。鈣離子半徑為98pm,配位數(shù)為7或8，Ca-O鍵長變化幅度54pm；各配位鍵的方向變化不一。鈣配合物可以采取各種不規(guī)則的幾何構型，蛋白質等生物大分子容易與它配位形成配合物。第三十九頁，共四十七頁。39一.鈣調蛋白的結構CaM鈣調蛋白（Calmodulin,CaM）1.鈣調蛋白的一級結構鈣調蛋白由一條多肽鏈構成。牛腦CaM的相對分子量為16700，多肽鏈由148個氨基酸殘基組成，整個分子含4個Ca2+離子，其氨基酸順序見表9-4。（185頁）CaM的一級結構在進化上表現(xiàn)出罕見的保守性，因此也就缺乏物種特異性和組織特異性。原生動物（如梨形四葉蟲）CaM與脊椎動物CaM相比，只有11個氨基酸殘基不同，1個缺失。第四十頁，共四十七頁。40鈣調蛋白是酸性蛋白（與氫酶相似），有近1/4氨基酸殘基是酸性的天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu），等電點4.0。分子中不含易氧化的色氨酸（Try）和半胱氨酸（Cys），因此穩(wěn)定性強，耐熱，在90℃以下保持活性。鈣調蛋白CaM的多肽鏈（148氨基酸殘基）可以分為四個區(qū)，每個區(qū)結合一個Ca2+離子。各區(qū)之間，特別是I（8~40）與III（81~113）區(qū)，II（44~76）與IV（117~148）區(qū)之間的氨基酸順序有很高的同源性，見表9—5。（185頁）第四十一頁，共四十七頁。412.鈣調蛋白的空間結構x射線結構分析提出了鈣與蛋白質結合的一般規(guī)則：鈣結合蛋白由多個重復區(qū)段組成。每個區(qū)的多肽鏈形成α螺旋—環(huán)體—α螺旋結構。每段螺旋有10個氨基酸殘基，環(huán)體是12個氨基酸殘基形成的非螺旋結構。每個環(huán)體結合一個Ca2+，Ca2+與肽鍵羰基氧和殘基側鏈羧基氧配位。第四十二頁，共四十七頁。42圖9-32（186頁）是這種結構模型，它形如右手伸開的拇指和食指及握緊的中指，Kretsinger稱為E-F手結構。根據(jù)這種結構模型，鈣調蛋白CaM有4個區(qū)，每個區(qū)都是一個E-F手結構。EF-hand蛋白第四十三頁，共四十七頁。431985年等對CaM晶體的x射線結構分析證明，整個分子形狀像一個啞鈴，長6.5nm，柄是一段長α螺旋，每個鈴含兩個Ca2+離子，兩個Ca2+的間距為1.13